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中国科学技术大学

博士学位论文

OFDMA中继系统的无线资源管理策略研究

姓名：刘畅

申请学位级别：博士

专业：通信与信息系统

指导教师：周武旸

2011-04-19
摘要

摘要

未来无线通信系统存在两对主要矛盾：增长的业务需求与紧张的无线资源
间的矛盾以及无处不在的覆盖需求与复杂的无线环境间的矛盾。由于OFDMA
技术具有高频谱效率并能抗多径干扰，中继技术能够扩大覆盖范围并提高链路
可靠性，是缓解上述矛盾的有效手段。因此，OFDMA和中继技术已经作为下
一代无线通信网络的核心技术，被写入了IEEE802.16j和3GPPLTE-Advanced
等标准化协议中。
本文针对OFDMA中继系统关键问题之一的无线资源管理问题开展研究。
首先对无线资源管理对于未来OFDMA中继系统的重要性进行了论述，之后分
析了OFDMA中继网络相对于传统无中继网络在资源管理方面的差异性，以此
作为论文研究的出发点。通过对问题的分析及对已有工作的总结，本文凝练出
OFDMA中继系统无线资源管理方面目前仍待解决的四个方面问题，针对上述
问题提供创新性的解决方案构成了本文的主体内容。
针对对用户公平性考虑较少且不够完备的问题，本文提出了保证用户比例
公平性的资源管理策略。通过对问题进行建模，将比例公平目标下的中继选择、
子载波分配以及功率分配问题在数学上抽象为联合优化问题。为进行有效求解，
先对整数待优化变量进行连续性放松，并证明了放松后问题的对偶差额为零。
之后采用对偶分解的方法，将优化问题分解为主问题和子问题分别求解，针对
子问题采用KKT条件求解，对主问题采用次梯度方法进行迭代求解。最终可以
得到原问题的近似最优解，并由此得到保证比例公平性的资源管理策略。
针对保障多业务的用户满意度问题，本文提出了区分业务的资源管理策略。
用户对不同类业务具有不同的满意度特性，采用效用函数来刻画用户满意度，
并考察实际系统中具有代表性的两类业务：会话类业务和背景类业务。资源管
理的目标为保证会话类业务用户效用函数值为1时最大化背景类业务用户的总
效用。利用凸优化理论，采用拉格朗日对偶方法可以获得优化问题的近似最优
解。为降低复杂度，本文根据最优求解得到的结论进一步提出了低复杂度的启
发式资源管理算法。
针对保证队列稳定性的问题，本文提出了联合队列和信道信息的资源管理
策略。已有研究一般假设队列一直有数据发送，但实际系统中用户业务的到达
具有随机性，保证队列的稳定对于系统性能具有重要意义。由此，资源管理的
目标是最大化系统吞吐量的同时保证用户队列的稳定。不同于已有研究的是，
进行资源分配的目标函数不仅是信道状态的函数，还是用户队列状态的函数。

I
将上述目标下的子载波配对、载波对在链路的分配及功率分配问题进行联合建
模，之后在对偶域求解功率及载波对分配问题，并采用匈牙利法求解子载波配
对问题。通过分步求解－迭代更新的方法可以使问题收敛到近似最优解。
针对弹性业务的速率控制问题，本文提出了跨层资源管理策略。当网络中
存在速率可控的弹性业务时，根据网络的资源状况自适应地调整业务速率可以
提高系统性能。然而，如何将速率控制与资源分配相结合是具有挑战性的问题。
由此，本文采用跨层思想，对应用层、MAC层和物理层进行联合优化，目标为
最大化系统中弹性业务流的效用和。采用分解理论，将原问题分解为应用层的
速率控制子问题和MAC/物理层的资源分配子问题分别求解，二者间通过“价
格因子”相互关联。采用两层迭代的方法可以使原问题最终收敛到近似最优解。

关键词：正交频分多址接入(OFDMA)中继网络无线资源管理凸优化分
解理论联合优化比例公平多业务队列信息跨层

II
Abstract

ABSTRACT

Infuturewirelesssystems,thereexisttwomaincontradictions,oneisthe
contradictionbetweentheincreasingtrafficrequirementsandthelimitedradio
resources,andtheotheristhecontradictionbetweentherequirementofaccess
everywhereandthecomplicatedwirelessenvironments.OrthogonalFrequency
DivisionMultipleAccess(OFDMA)technologyandrelaytechnologyareeffective
approachestorelievethetwocontradictionsabove,sinceOFDMAhashigh
spectrumefficiencyandp